DE19802712A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Belichtung von computergenerierten Hologrammen - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Belichtung von computergenerierten Hologrammen mit dem Ziel, derartige Hologramme für Wert- und Sicherheitsdokumente zu verwenden.

Es sind hierbei Belichtungsverfahren für computergenerierte (digitale) Hologramme (CGH) bekannt, bei denen im wesentlichen eine Belichtung mit Liquid-Crystal-Arrays verwendet wird.

Bei diesem bekannten Verfahren wird ein Laserstrahl über einen Belichtungsverschluß und einen Raumfilter durch ein aus einer Vielzahl von Pixeln bestehendes Liquid-Crystal-Array geschickt.

Derartige LC-Arrays bestehen in der Regel aus maximal 1000×1000 Pixeln, die in Matrixform angeordnet sind, wobei jedes Pixel entsprechend ansteuerbar ist und den durch dieses Pixel jeweils hindurchgehenden Laserstrahl entsprechend verändert. Wird das jeweilige Pixel mit der Steuerspannung angesteuert, dann sperrt es beispielsweise den Laserstrahl, während es mit einer anderen Steuerspannung angesteuert, den Laserstrahl hindurchläßt.

Die digitale Information, mit welcher das Hologramm generiert werden soll, wird über einen Computer dem LC-Array eingespeist, welches dann die LC-Pixel so ansteuert, daß entsprechend dem angelegten digitalen Muster das Laserlicht bei der Abtastung dieses Arrays mehr oder weniger durch die Pixel beeinflußt wird.

Nachteil dieser bekannten Technik ist, daß die LC-Arrays sehr langsam arbeiten und beispielsweise 10 Millisekunden für die Umschaltung des jeweiligen Pixels von dem einen Zustand in den anderen benötigen. Außerdem ist der sog. Füllfaktor des LC-Dis­ plays schlecht, denn ein derartiges Array läßt lediglich 60-70% des darauffallenden Lichtes hindurch, wobei der übrig bleibende Teil durch entsprechend Verdrahtungen der Adressierungsleitungen lichtundurchlässig gehalten ist.

Weiterer Nachteil ist, daß ein derartiges LC-Array eine relativ unreine Phasenfront erzeugt, d. h. die durch das LC-Array hindurchgehenden Laserstrahlen sind keine parallelen Wellenfronten mehr, sondern sie sind gebogen und zueinander gekrümmt, was insgesamt zu einer relativ ungünstigen das LC-Dis­ play verlassenden Wellenfront führt.

Weiterer Nachteil der genannten LC-Arrays ist die Tatsache, daß sie im sog. Transmissionsbetrieb arbeiten und daher Licht schlucken, was also mit entsprechenden Lichtverlusten bei der Bestrahlung dieses Arrays verbunden ist. Im übrigen besteht auch der Nachteil, daß derartige Arrays keine hohen Lichtleistungen hindurch lassen und bei höheren Lichtleistungen leicht zerstört werden können. Außerdem ist dieses LC-Array für bestimmte Wellenlängen nur schlecht durchlässig, so daß das Hologramm für bestimmte Wellenlängen nicht erzeugbar ist.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Belichtung von digitalen Hologrammen so weiterzubilden, daß eine wesentlich schnellere Belichtung derartiger Hologramme mit entsprechend höherer Produktionsleistung gewährleistet ist und daß die Qualität derartiger Hologramme wesentlich verbessert wird, so daß derartige Hologramme insbesondere für Wert- und Sicherheitsdokumente einsetzbar sind.

Wesentliches Merkmal der Erfindung ist, daß nun anstatt der Verwendung eines LC-Arrays ein digitaler Lichtprozessor (DLP) verwendet wird, der mit einzeln ansteuerbaren Spiegeln arbeitet, wobei jeder Spiegel entsprechend individuell angesteuert werden kann. Vorteil dieser Maßnahme ist, daß ein derartiges Spiegelarray mit wesentlich höherer Auflösung arbeiten kann, denn es ist konstruktiv nicht mehr auf etwa 1000×1000 Pixel (wie die LC-Arrays) beschränkt, sondern es können beliebig große Arrays verwendet werden, insbesondere solche mit 5000×5000 Einzelspiegeln (Pixel).

Dadurch ergibt sich der wesentliche Vorteil, daß es nun erstmals möglich ist, mit wesentlich höherer Geschwindigkeit ein digitales Hologramm zu erzeugen, welches wesentlich feiner aufgelöst werden kann und welches in seiner Qualität auch wesentlich besser ist, denn die genannten Spiegel des Spiegelarrays erzeugen im wesentlichen ebene Wellenfronten, die mit entsprechender Qualität das Hologramm erzeugen, während die vorher bei dem LC-Array in Kauf genommenen gekrümmten und verzerrten Wellenfronten eine schlechte Qualität des Hologramms ergaben.

Die Vorteile gegenüber dem Stand der Technik sind also folgende:
Die Schaltzeiten strahlablenkender Lichtprozessorarrays sind mit ca. 10 µs etwa 100 mal kleiner als die von LC-Displays. Höhere Pixel-Belichtungsrate und Pulsbelichtung im kHz Bereich möglich. Mit "Strahlablenkern" können im Vergleich zu "Shuttern/Transmittern" (wie LCD's) höhere Leistungen moduliert werden. Mit "Strahlablenkern" können im Vergleich zu "Shuttern/Transmittern" (wie LCD's) phasenreinere Wellenfronten erreicht werden (bessere Fokussierbarkeit, sauberere Gittermodulation). Das Kontrastverhältnis von strahlablenkenden Lichtprozessorarrays ist wellenlängenunabhängig. Die Pixel sind exakt quadratisch. Das Duplikat des Hologramms kann als Sicherheitsmerkmal verwendet werden. Es rekonstruiert beispielsweise bei einer anderen Wellenlänge (Schrumpfung).

Dank der Tatsache, daß nun erfindungsgemäß mit der Verwendung eines digitalen Lichtprozessors (mit einzeln adressierbaren Spiegeln) ebene Wellenfronten erzeugt werden, ergibt sich der weitere Vorteil, daß nun entsprechende Volumenhologramme erzeugt werden können. Es handelt sich hierbei um relativ dicke Belichtungsschichten, in deren Dickenausdehnung (senkrecht zum Belichtungsstrahl) entsprechende Dickenstrukturen hineinbelichtet werden, welche durch die gesamte Dicke der belichteten Struktur sich hindurch erstrecken und welche die entsprechende Hologramminformation beinhalten.

Dank der Verwendung des erfindungsgemäßen DLP ergibt sich der Vorteil, daß man nun auch gegen Belichtung unempfindliche Medien verwenden kann, die vorher nicht verwendet werden konnten. Mit den bekannten LC-Arrays konnten nur relativ geringe Lichtleistungen durchgelassen werden, die deshalb ungeeignet waren, entsprechend unempfindliche Medien zu belichten. Dieser Nachteil wird nun durch die Verwendung erfindungsgemäßer DLP zur Erzeugung von digitalen Hologrammen vermieden.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird die Lichtintensität zur Belichtung eines Pixel-Arrays eines CGH mit einem strahlablenkenden Lichtprozessorarray erzeugt, wobei die lichtempfindliche Schicht mit den Strahlen in +Θ Position belichtet wird.

Eine X,Y-Schrittmotorsteuerung bewegt das holografische Aufzeichnungsmedium danach an die Position des nächsten Pixel-Arrays.

Anstelle eines Shutters kann auch ein gepulster Laser verwendet werden, wobei Laser, Shutter, DLP und X,Y-Schrittmotorsteuerung durch eine Elektronik synchronisiert sind.

Mit den Strahlen in -Θ Position kann gleichzeitig das Duplikat dieses CGH an eine andere Stelle belichtet werden. Bei der Umwandlung der Phasen eines Hologramms vom Positiv zum Negativ rekonstruiert dasselbe Bild, d. h. das Negativ stellt für den Betrachter dasselbe Hologramm dar.

Falls kein binäres, sondern ein Multilevel-Hologramm belichtet werden soll, wird bei Verwendung von Gleichlicht die Verweildauer der Spiegel in den beiden Zuständen entsprechend der Graustufe geregelt. Bei Verwendung von gepulstem Licht wird die Belichtungsintensität durch Addition mehrerer Einzel-Pulse moduliert.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung können mit dem Verfahren gitterförmige Pixelarrays von Transmissions- oder Denisiyk Hologrammen belichtet werden.

Mit der Verwendung der DLP's bei der Erzeugung digitaler Hologramme ergeben sich insbesondere in der Sicherheitstechnik wesentliche Vorteile, denn es ist nun erstmals möglich, relativ schwer belichtbare Medien zu verwenden, um digitale Hologramme zu erzeugen. Insbesondere können Fotopolymere mit höheren Geschwindigkeiten und besserer Qualität belichtet werden. Fotopolymere erlangen aufgrund ihrer hohen Auflösung und Dimensionsstabilität zunehmende Bedeutung als holografisches Aufzeichnungsmaterial.

Ebenso ist erstmals die Verwendung von sog. photochromen Materialien möglich.

Ebenso können nunmehr photorefraktive Kristalle, wie z. B. Lithium Niobad, verwendet werden.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil gegenüber den besagten LC-Ar­ rays ist, daß nun mit einer tausendmal höheren Belichtungsgeschwindigkeit ein derartiges Hologramm in feiner Auflösung erzeugt werden kann. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, Hologramme zu personalisieren, d. h. mit dokumentspezifischen oder personenspezifischen Informationen zu versehen. Derartige Informationen können nun mit hoher Verarbeitungsgeschwindigkeit in das digitale Hologramm eingeschrieben werden, was bei der herkömmlichen Herstellung und Belichtung mit LC-Displays nicht möglich war.

Beispielsweise werden für die Belichtung von z. B. 2500 Pixel eines Hologramms lediglich 50 Millisekunden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren benötigt, während man bei der Belichtung des gleichen Hologramms mit einem LC-Array man 50 Sekunden benötigt.

Wegen der Möglichkeit, derartige digitale Hologramme zu personalisieren, ergibt sich nun erstmals die Möglichkeit, derartige Hologramme als Sicherheitsmerkmal auf Wert- und Sicherheitspapieren anzubringen.

Der Erfindungsgegenstand der vorliegenden Erfindung ergibt sich nicht nur aus dem Gegenstand der einzelnen Patentansprüche, sondern auch aus der Kombination der einzelnen Patentansprüche untereinander.

Alle in den Unterlagen, einschließlich der Zusammenfassung, offenbarten Angaben und Merkmale, insbesondere die in den Zeichnungen dargestellte räumliche Ausbildung werden als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von mehrere Ausführungswege darstellenden Zeichnungen näher erläutert. Hierbei gehen aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung weitere erfindungswesentliche Merkmale und Vorteile der Erfindung hervor.

Es zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform eines Verfahrens zur Aufzeichnung eines digitalen Hologramms;

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel im Vergleich zu Fig. 1.

In den Fig. 1 und 2 ist lediglich schematisiert ein Laserstrahl 4 dargestellt, der von einem Laser 1 ausgesendet wird. In Wirklichkeit handelt es sich um ein Strahlenbündel, welches als solches als Bündel auf den digitalen Lichtprozessor 5 fokussiert wird. Hierzu geht der Laserstrahl 4 durch eine Verschlußblende 2 und durch einen Raumfilter 3 hindurch.

Der digitale Lichtprozessor 5 besteht aus einem Array von Mikrospiegeln, wobei jeder Spiegel separat angesteuert werden kann und das auftreffende Laserlicht entsprechend seiner Ansteuerung in die eine oder in die andere Richtung ablenkt.

Es ist hierbei offen, ob die Spiegel jeweils nur in der einen oder in der anderen Endstellung verharren, oder ob die Spiegel auch entsprechende Zwischenstellungen zwischen den beiden Endstellungen einnehmen können. Die Erfindung sieht beide Ausführungsformen vor.

Alle Spiegel, die nun in Richtung des Winkels 6 angesteuert wurden, schicken ihr Licht über einen Spiegel 7 und eine Optik 8 auf das holographische Aufzeichnungsmedium 9, während die anderen Spiegel, die nicht in dem Winkel 6 ausgelenkt wurden, das Licht nicht auf den Spiegel 7 lenken und somit kommt dieses Licht nicht auf das Aufzeichnungsmedium 9.

Wichtig ist nun, daß das Aufzeichnungsmedium 9 in der X- und der Y-Richtung schnell und digital transportiert wird, so daß mit jedem Schuß des Lasers eine Pixelfläche auf dem Aufzeichnungsmedium 9 belichtet wird und dieses Aufzeichnungsmedium innerhalb sehr kurzer Zeit mit einer Vielzahl von Belichtungspunkten (Pixel) belichtet wird.

Anstatt der Verwendung einer Verschlußblende 2, die im Belichtungsrhythmus sich öffnet und schließt und deren Öffnen und Schließen gleichzeitig mit der Bewegung in X- und Y-Rich­ tung des Aufzeichnungsmediums 9 gekoppelt ist, kann man auch die Verschlußblende 2 weglassen und den Laser 1 als Pulslaser ausbilden, wobei dann mit jedem Schuß des Lasers eine entsprechende Weiterbewegung in X-Y-Richtung (Pfeilrichtungen 10, 11) stattfindet.

Das Ausführungsbeispiel der Fig. 2 unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 nur insoweit, als daß nicht nur die positive digitale Information bezüglich des Winkels 6 auf das holographische Aufzeichnungsmedium 9 belichtet wird, sondern ebenso die gleichartige negative digitale Information, die über ein eigenes Ablenkungssystem (gekennzeichnet durch hochgestellte Striche) dargestellt ist. Ansonsten gelten die gleichen Erläuterungen wie zu Fig. 1. Hierbei gilt also, daß das von dem digitalen Lichtprozessor 5 ausgestrahlte Strahlbündel 12 sowohl in der positiven Richtung (im Winkel 6 über den Spiegel 7) auf das holographische Aufzeichnungsmedium 9 gelangt als auch bezüglich des Winkels 6' (der negative Winkel von 6) über das Strahlenbündel 12' auf den Spiegel 7' gelangt und das zu belichtende holographische Aufzeichnungsmedium 9 an einer anderen Stelle belichtet.

D.h., die Information in dem positiven Hologramm 13 ist die gleiche Information wie in dem negativen Hologramm 14 und aus einem derartig belichteten holographischen Aufzeichnungsmedium können sowohl aus dem negativen wie auch aus dem positiven Hologramm 13, 14 die gleiche Informationen rekonstruiert werden.

Damit kann das Duplikat des Hologramms (z. B. das negative Abbild) als Sicherheitsmerkmal verwendet werden. Man könnte z. B. auf der Vorderseite eines Wert- und Sicherheitsdokumentes das positive Hologramm belichten, während auf der Rückseite dieses Wert- und Sicherheitsdokumentes das negative Hologramm belichtet wird. Beide Hologramme dienen dann zur Absicherung der jeweiligen Seite des Wert- und Sicherheitsdokumentes.

Eine weitere Möglichkeit zur Absicherung oder Erhöhung der Fälschungssicherheit eines Wert- und Sicherheitsdokumentes ist es, wenn man die Aufzeichnungsfolie, wo das Hologramm aufgezeichnet wurde, schrumpfen läßt, wodurch der Effekt entsteht, daß das positive Hologramm beispielsweise in grünem sichtbaren Licht erscheint, während das geschrumpfte Hologramm im sichtbaren Licht eine blaue Farbe einnimmt.

Bezugszeichenliste

1

Laser

2

Verschlußblende

3

Raumfilter

4

Laserstrahl

5

digitaler Lichtprozessor

6

Winkel

6

'

7

Spiegel

7

'

8

Optik

9

Aufzeichnungsmedium

10

Y-Richtung

11

X-Richtung

12

Strahlbündel

12

'

13

Hologramm

14

Hologramm

Claims (12)

1. Verfahren zur Belichtung digitaler computergenerierter Hologramme, bei dem ein lichtempfindliches Aufzeichnungsmedium von einer Lichtquelle belichtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verarbeitung der von der Lichtquelle (1) ausgehenden Lichtstrahlen (12, 12') ein digitaler Lichtprozessor (5) verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Pixel auf dem Aufzeichnungsmedium (9) gleichzeitig belichtet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Belichtung taktweise erfolgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zu belichtende Fläche auf dem Aufzeichnungsmedium (9) in mehreren aufeinanderfolgenden Schritten belichtet wird, wobei das Aufzeichnungsmedium (9) nach jeder Belichtung bewegt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf das Aufzeichnungsmedium (9) zwei Hologramme (13, 14) belichtet werden, von denen das eine das Negativ des anderen ist.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Negativ-Hologramm (14) verzerrt und/oder verkleinert wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung von Multilavel-Hologrammen bei der Verwendung von gepulstem Licht die Belichtungsintensität durch Addition mehrerer Einzel-Pulse moduliert wird oder bei der Verwendung von Gleichlicht die Verweildauer der Spiegel des digitalen Lichtprozessors (5) entsprechend der Graustufe geregelt wird.

8. Vorrichtung zur Belichtung digitaler computergenerierter Hologramme mit einer Lichtquelle und einer Ablenkungseinrichtung für von der Lichtquelle ausgehende Lichtstrahlen, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkungseinrichtung als digitaler Lichtprozessor (5) ausgebildet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle als Laser (1) ausgebildet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser (1) getaktet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang eine Verschlußblende (2) angeordnet ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang ein Raumfilter (3) angeordnet ist.